Fundamentos de la recolección de elementos no utilizados

En el Common Language Runtime (CLR), el recolector de elementos no utilizados actúa como administrador de memoria automático. Proporciona las siguientes ventajas:

• Permite desarrollar la aplicación sin tener que liberar memoria.

• Asigna con eficacia los objetos del montón administrado.

• Reclama los objetos que ya no se utilizan, borra la memoria correspondiente y mantiene la memoria disponible para asignaciones futuras. Los objetos administrados obtienen automáticamente contenido limpio desde el principio, de modo que sus constructores no tienen que inicializar todos los campos de datos.

• Proporciona seguridad de memoria, al asegurarse de que un objeto no pueda utilizar el contenido de otro objeto.

En este tema se describen los conceptos básicos de la recolección de elementos no utilizados. Contiene las siguientes secciones:

• Fundamentos de memoria

• Condiciones para la recolección de elementos no utilizados

• Montón administrado

• Generaciones

• Lo que sucede durante la recolección de elementos no utilizados

• Manipular recursos no administrados

• Recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo y de servidor

• Recolección simultánea de elementos no utilizados

• Recolección de elementos no utilizados en segundo plano

Fundamentos de memoria

En la lista siguiente se resumen los conceptos importantes de memoria de CLR.

• Cada proceso tiene propio espacio de direcciones virtuales independiente. Todos los procesos del equipo comparten la misma memoria física y comparten el archivo de paginación si hay alguno.

• De forma predeterminada, en los equipos de 32 bits, cada proceso tiene un espacio de direcciones virtuales en modo usuario de 2 GB.

• Como desarrollador de aplicaciones, solo trabaja con el espacio de direcciones virtuales y nunca manipula la memoria física directamente. El recolector de elementos no utilizados asigna y libera memoria virtual en el montón administrado.

  Si está escribiendo código nativo, use funciones de Win32 para trabajar con el espacio de direcciones virtuales. Estas funciones asignan y liberan memoria virtual en pilas nativas.

• La memoria virtual puede estar en tres estados:

  • Libre. El bloque de memoria no tiene ninguna referencia a ella y está disponible para su asignación.

  • Reservado. El bloque de memoria está disponible para su uso y no se puede emplear para ninguna otra solicitud de asignación. Sin embargo, no puede almacenar datos en este bloque de memoria hasta que se confirme.

  • Confirmado. El bloque de memoria se asigna al almacenamiento físico.

• El espacio de direcciones virtuales puede llegar a fragmentarse. Esto significa que hay bloques libres, también conocidos como marcadores, en el espacio de direcciones. Cuando se solicita una asignación de memoria virtual, el administrador de memoria virtual tiene que encontrar un único bloque libre que sea suficientemente grande para satisfacer esa solicitud de asignación. Aunque tenga 2 GB de espacio disponible, la asignación que necesita 2 GB será incorrecta a menos que todo ese espacio esté en un único bloque de direcciones.

• Puede quedarse sin memoria si no tiene espacio de direcciones virtuales para reservar o espacio físico para confirmar.

El archivo de paginación se usa aunque haya poca necesidad de memoria física (es decir, demanda de memoria física). La primera vez que se necesita mucha memoria física, el sistema operativo debe hacer sitio en la memoria física para almacenar los datos y hace una copia de seguridad en el archivo de paginación de algunos datos que están en la memoria física. Esos datos no se paginan hasta que no se necesitan, por lo que es posible encontrar paginación en situaciones donde haya muy poca necesidad de memoria física.

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Condiciones para la recolección de elementos no utilizados

La recolección de elementos no utilizados se produce cuando se cumple alguna de las siguientes condiciones:

• El sistema tiene poca memoria física.

• La memoria que utilizan los objetos asignados del montón administrado supera un umbral aceptable. Esto significa que se ha superado un umbral de utilización de memoria aceptable en el montón administrado. Este umbral se ajusta continuamente a medida que se ejecuta el proceso.

• Se llama al método GC.Collect. En casi todos casos, no es necesario llamar a este método, porque el recolector de elementos no utilizados se ejecuta continuamente. Este método se utiliza principalmente para pruebas y situaciones singulares.

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Montón administrado

Una vez que el CLR inicializa el recolector de elementos no utilizados, asigna un segmento de memoria para almacenar y administrar objetos. Esta memoria se denomina montón administrado, y se diferencia del montón nativo del sistema operativo.

Hay un montón administrado para cada proceso administrado. Todos los subprocesos del proceso asignan los objetos en el mismo montón.

Para reservar la memoria, el recolector de elementos no utilizados llama a la función VirtualAlloc de Win32 y reserva un segmento de memoria cada vez para las aplicaciones administradas. El recolector de elementos no utilizados también reserva segmentos según sea necesario y vuelve a liberarlos para el sistema operativo (después de borrar de ellos todos los objetos) llamando a la función VirtualFree de Win32.

Cuantos menos objetos se asignen al montón, menos trabajo tendrá que hacer el recolector de elementos no utilizados. Al asignar objetos, no use valores redondeados que superen sus necesidades; por ejemplo, no asigne una matriz de 32 bytes si solo necesita 15 bytes.

Cuando se desencadena una recolección de elementos no utilizados, el recolector de elementos no utilizados reclama la memoria ocupada por objetos muertos. El proceso de reclamación compacta los objetos activos para moverlos juntos, y el espacio muerto se quita, para reducir el montón. De este modo, se asegura de que los objetos que se asignan juntos permanezcan juntos en el montón administrado, a fin de conservar su situación.

La tendencia a la intrusión (frecuencia y duración) de las recolecciones de elementos no utilizados es el resultado del volumen de asignaciones y la cantidad de memoria que sobrevivió en el montón administrado.

El montón considerarse una acumulación de dos montones: el montón de objetos grandes y el montón de objetos pequeños.

El montón de objetos grandes contiene objetos de 85.000 bytes o más. Los objetos muy grandes del montón de objetos grandes suelen ser matrices. Es raro que un objeto de instancia sea sumamente grande.

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Generaciones

El montón se organiza en generaciones, para poder administrar objetos de larga y corta duración. La recolección de elementos no utilizados se produce principalmente con la reclamación de objetos de corta duración que suelen ocupar solamente una parte reducida del montón. Hay tres generaciones de objetos en el montón:

• Generación 0. Es la generación más joven y contiene los objetos de corta duración. Un ejemplo de objeto de corta duración es una variable temporal. La recolección de elementos no utilizados se produce con mayor frecuencia en esta generación.

  Los objetos recién asignados constituyen una nueva generación de objetos e implícitamente son recolecciones de generación 0, a menos que sean objetos grandes, en cuyo caso entran en el montón de objetos grandes en una recolección de la generación 2.

  La mayoría de los objetos se reclaman para la recolección de elementos no utilizados en la generación 0 y no sobreviven a la generación siguiente.

• Generación 1. Esta generación contiene objetos de corta duración y sirve como búfer entre los objetos de corta y larga duración.

• Generación 2. Esta generación contiene los objetos de larga duración. Un ejemplo de objeto de larga duración es un objeto de una aplicación de servidor que contiene datos estáticos que están activos mientras dura el proceso.

Las recolecciones de elementos no utilizados se producen en generaciones concretas según lo permitan las condiciones. La recolección de una generación significa recolectar los objetos de esa generación y de todas las generaciones anteriores. Una recolección de elementos no utilizados de la generación 2 se denomina también recolección de elementos no utilizados completa, porque reclama todos los objetos de todas las generaciones (es decir, todos los objetos del montón administrado).

Supervivencia y promociones

Los objetos que no se reclaman en una recolección de elementos no utilizados se denominan supervivientes y se promueven a la generación siguiente. Los objetos que sobreviven a una recolección de elementos no utilizados de la generación 0 se promueven a la generación 1; los que sobreviven a una recolección de elementos no utilizados de la generación 1 se promueven a la generación 2; y los que sobreviven a una recolección de elementos no utilizados de la generación 2 permanecen en esa misma generación.

Cuando el recolector de elementos no utilizados detecta que la tasa de supervivencia es alta en una generación, aumenta el umbral de asignaciones para esa generación, de modo que la recolección siguiente obtenga un tamaño sustancial de memoria reclamada. El CLR equilibra continuamente dos prioridades: no permitir que el espacio de trabajo de una aplicación adquiera un tamaño excesivo y no permitir que la recolección de elementos no utilizados tarde demasiado tiempo.

Generaciones y segmentos efímeros

Dado que los objetos de las generaciones 0 y 1 son de corta duración, estas generaciones se denominan generaciones efímeras.

Las generaciones efímeras se deben asignar en el segmento de memoria denominado segmento efímero. Cada nuevo segmento adquirido por el recolector de elementos no utilizados se convierte en el nuevo segmento efímero y contiene los objetos que sobrevivieron a una recolección de elementos no utilizados de la generación 0. El segmento efímero anterior se convierte en el nuevo segmento de la generación 2.

El segmento efímero puede incluir objetos de la generación 2. Los objetos de la generación 2 pueden utilizar varios segmentos (tantos como necesite el proceso y la memoria permita).

La cantidad de memoria liberada como consecuencia de una recolección de elementos no utilizados efímera se limita al tamaño del segmento efímero. La cantidad de memoria que se libera es proporcional al espacio que ocupaban los objetos muertos.

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Lo que sucede durante la recolección de elementos no utilizados

Una recolección de elementos no utilizados tiene las siguientes fases:

• Una fase de marcado que busca y crea una lista de todos los objetos activos.

• Una fase de reubicación, que actualiza las referencias a los objetos que se van a compactar.

• Una fase de compactación, que reclama el espacio ocupado por los objetos muertos y compacta los objetos supervivientes. En la fase de compactación se mueven los objetos que han sobrevivido a una recolección de elementos no utilizados hacia el extremo más antiguo del segmento.

  Debido a que las recolecciones de la generación 2 pueden ocupar varios segmentos, los objetos que se promueven a la generación 2 se pueden mover a un segmento anterior. Los supervivientes de las generaciones 1 y 2 se pueden mover a un segmento diferente, porque se promueven a la generación 2.

  El montón de objetos grande no se compacta, porque al hacerlo aumentaría la utilización de memoria durante un período de tiempo inaceptable.

El recolector de elementos no utilizados utiliza la siguiente información para determinar si los objetos están activos:

• Raíces de la pila. Variables de pila proporcionadas por el compilador Just-In-Time (JIT) y el rastreador de pila.

• Identificadores de recolección de elementos no utilizados. Identificadores que señalan a objetos administrados y que se pueden asignar mediante código de usuario o mediante Common Language Runtime.

• Datos estáticos. Objetos estáticos de dominios de aplicación que podrían hacer referencia a otros objetos. Cada dominio de aplicación realiza el seguimiento de sus objetos estáticos.

Antes de que iniciarse una recolección de elementos no utilizados, todos los subprocesos administrados se suspenden salvo el subproceso que activó la recolección de elementos no utilizados.

En la ilustración siguiente se muestra un subproceso que desencadena una recolección de elementos no utilizados, lo que provoca la suspensión de los demás subprocesos.

Subproceso que desencadena una recolección de elementos no utilizados

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Manipular recursos no administrados

Si los objetos administrados hacen referencia a objetos no administrados mediante sus identificadores de archivos nativos, es necesario liberar explícitamente los objetos administrados, ya que el recolector de elementos no utilizados únicamente realiza el seguimiento de la memoria del montón administrado.

Los usuarios de su objeto administrado podrían no disponer de los recursos nativos utilizados por el objeto. Para realizar la limpieza, puede hacer que su objeto administrado sea susceptible de finalización. La finalización está compuesta de acciones de limpieza que el usuario ejecuta cuando el objeto ya no se utiliza. Cuando el objeto administrados muere, realiza acciones de limpieza que se especifican en su método finalizador.

Cuando se detecta que un objeto susceptible de finalización está muerto, su finalizador se coloca en una cola para que se ejecuten sus acciones de limpieza, pero el objeto en sí se promueve a la generación siguiente. Por tanto, tendrá que esperar hasta la siguiente recolección de elementos no utilizados que se produzca en esa generación (y que no tiene por qué ser necesariamente la próxima recolección de elementos no utilizados) para determinar si se ha recuperado el objeto.

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Recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo y de servidor

El recolector de elementos no utilizados se ajusta automáticamente y puede funcionar en gran variedad de escenarios. La única opción que puede establecer es el tipo de recolección de elementos no utilizados, según las características de la carga de trabajo. El CLR proporciona los tipos siguientes de recolección de elementos no utilizados:

• Recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo, para las estaciones de trabajo cliente y los equipos independientes. Se trata de la configuración predeterminada para el elemento <gcServer> del esquema de configuración del runtime.

  La recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo puede ser simultánea o no simultánea. La recolección simultánea de elementos no utilizados permite que los subprocesos administrados continúen con sus operaciones durante una recolección de elementos no utilizados.

  A partir de .NET Framework versión 4, la recolección de elementos no utilizados en segundo plano reemplaza la recolección simultánea de elementos no utilizados. 

• Recolección de elementos no utilizados de servidor, diseñada para las aplicaciones de servidor que necesitan un alto nivel de rendimiento y escalabilidad.

En las siguientes ilustraciones se muestran los subprocesos dedicados que realizan la recolección de elementos no utilizados en un servidor.

Recolección de elementos no utilizados del servidor

Configurar la recolección de elementos no utilizados

Puede utilizar el elemento <gcServer> del esquema de configuración del runtime para especificar el tipo de recolección de elementos no utilizados que el CLR debe realizar. Cuando el atributo enabled de este elemento está establecido en false (el valor predeterminado), el CLR realiza la recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo. Cuando se establece el atributo enabled en true, el CLR realiza la recolección de elementos no utilizados de servidor.

La recolección simultánea de elementos no utilizados se especifica con el elemento <gcConcurrent> del esquema de configuración del runtime. El valor predeterminado es enabled. La recolección simultánea de elementos no utilizados solamente está disponible para la recolección de estación de trabajo y no tiene ningún efecto en la de servidor.

También puede especificar la recolección de elementos no utilizados de servidor con interfaces de hospedaje no administradas. Tenga en cuenta que ASP.NET y SQL Server habilitan automáticamente la recolección de elementos no utilizados de servidor si la aplicación se hospeda dentro de uno de estos entornos.

Comparación de la recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo y de servidor

Consideraciones de subprocesos y rendimiento para la recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo:

• La recolección se produce en el subproceso del usuario que desencadenó la recolección de elementos no utilizados y permanece en la misma prioridad. Como los subprocesos de usuario suelen ejecutarse con prioridad normal, el recolector de elementos no utilizados (que se ejecuta en un subproceso de prioridad normal) debe competir con otros subprocesos por el tiempo de la CPU.

  Los subprocesos que ejecutan código nativo no se suspenden.

• La recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo siempre se utiliza en un equipo que tiene un solo procesador, sin tener en cuenta el valor de <gcServer>. Si especifica la recolección de elementos no utilizados de servidor, el CLR usa la recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo con la simultaneidad deshabilitada.

Consideraciones de subprocesos y rendimiento para la recolección de elementos no utilizados de servidor:

• La recolección se produce en varios subprocesos dedicados que se ejecutan en el nivel de prioridad THREAD_PRIORITY_HIGHEST.

• Para cada CPU se proporciona un subproceso dedicado para realizar recolección de elementos no utilizados y un montón; los montones se recolectan al mismo tiempo. Cada montón contiene un montón de objetos pequeños y un montón de objetos grandes; a todos ellos se puede tener acceso mediante código de usuario. Los objetos de montones diferentes pueden hacerse referencia a entre sí.

• Dado que varios subprocesos de recolección de elementos no utilizados funcionan juntos, la recolección de elementos no utilizados de servidor es más rápida que la de estación de trabajo, con un montón del mismo tamaño.

• La recolección de elementos no utilizados de servidor suele tener segmentos de mayor tamaño.

• La recolección de elementos no utilizados de servidor puede consumir gran cantidad de recursos. Por ejemplo, si hay 12 procesos que se ejecutan en un equipo con 4 procesadores, habrá 48 subprocesos de recolección de elementos no utilizados dedicados, en caso de que todos utilicen la recolección de elementos no utilizados de servidor. En una situación de carga de memoria elevada, si todos los procesos empiezan a realizar la recolección de elementos no utilizados, el recolector de elementos no utilizados tendrá 48 subprocesos que programar.

Si se ejecutan centenares de instancias de una aplicación, puede ser más conveniente utilizar la recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo con la recolección simultánea de elementos no utilizados deshabilitada. De este modo se realizarán menos cambios de contexto, lo que puede mejorar el rendimiento.

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Recolección simultánea de elementos no utilizados

En la recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo, se puede habilitar la recolección simultánea de elementos no utilizados, que permite ejecutar los subprocesos de manera simultánea con un subproceso dedicado que realiza la recolección de elementos no utilizados durante la mayor parte del tiempo que dura la recolección. Esta opción solo afecta a las recolecciones de elementos no utilizados de la generación 2; las generaciones 0 y 1 no son nunca simultáneas porque finalizan muy rápidamente.

La recolección simultánea de elementos no utilizados permite mayor capacidad de respuesta de las aplicaciones interactivas, pues minimiza las pausas en una recolección. Los subprocesos administrados pueden continuar ejecutándose la mayoría del tiempo mientras se ejecuta el subproceso de recolección simultánea de elementos no utilizados. Esto da lugar a pausas más cortas mientras se está produciendo una recolección de elementos no utilizados.

Para mejorar el rendimiento cuando hay varios procesos en ejecución, deshabilite la recolección simultánea de elementos no utilizados.

La recolección simultánea de elementos no utilizados se realiza en un subproceso dedicado. De forma predeterminada, el CLR ejecuta la recolección de elementos no utilizados de estación de trabajo con la simultaneidad habilitada. Esto se cumple en los equipos de uno o varios procesadores.

La capacidad del usuario para asignar pequeños objetos del montón durante una recolección simultánea de elementos no utilizados está limitada por los objetos que quedan en el segmento efímero al iniciarse dicha recolección. En cuanto se llega al final del segmento, tendrá que esperar a que finalice la recolección simultánea de elementos no utilizados, mientras se suspenden los subprocesos administrados que tienen que realizar las asignaciones de objetos pequeños.

La recolección simultánea de elementos no utilizados tiene un espacio de trabajo ligeramente mayor (en comparación con la recolección de elementos no utilizados no simultánea), porque durante la recolección simultánea se pueden asignar objetos. Sin embargo, esto puede afectar al rendimiento, porque los objetos que asigna pasan a formar parte de su espacio de trabajo. En esencia, la recolección simultánea de elementos no utilizados cambia recursos de CPU y memoria por pausas más breves.

En la siguiente se muestra la recolección simultánea de elementos no utilizados realizada en un subproceso dedicado independiente.

Recolección simultánea de elementos no utilizados

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Recolección de elementos no utilizados en segundo plano

En la recolección de elementos no utilizados en segundo plano, las generaciones efímeras (0 y 1) se recolectan según sea necesario mientras la recolección de la generación 2 está en curso. No existe ningún valor para la recolección de elementos no utilizados en segundo plano; se habilita automáticamente con la recolección simultánea de elementos no utilizados. La recolección de elementos no utilizados en segundo plano reemplaza la recolección simultánea de elementos no utilizados. Como sucede con la recolección simultánea de elementos no utilizados, la recolección de elementos no utilizados en segundo plano se realiza en un subproceso dedicado y solamente es aplicable a las recolecciones de la generación 2.

Nota
La recolección de elementos no utilizados en segundo plano únicamente está disponible en .NET Framework 4 y versiones posteriores.

Una recolección de las generaciones efímeras durante una recolección de elementos no utilizados en segundo plano se denomina recolección de elementos no utilizados en primer plano. Cuando se producen recolecciones de elementos no utilizados en primer plano, se suspenden todos los subprocesos administrados.

Cuando hay en curso una recolección de elementos no utilizados en segundo plano y se han asignado suficientes objetos en la generación 0, el CLR realiza una recolección de elementos no utilizados en primer plano de las generaciones 0 o 1. El subproceso de recolección de elementos no utilizados en segundo plano dedicado realiza comprobaciones en puntos seguros frecuentes para determinar si existe alguna solicitud de recolección de elementos no utilizados en primer plano. Si la hay, la recolección en segundo plano se suspende para que la recolección de elementos no utilizados en primer plano se pueda llevar a cabo. Una vez completada la recolección de elementos no utilizados en primer plano, se reanudan el subproceso de recolección de elementos no utilizados en segundo plano dedicado y los subprocesos del usuario.

La recolección de elementos no utilizados en segundo plano quita las restricciones de asignación impuestas por la recolección simultánea de elementos no utilizados, porque se pueden producir recolecciones de elementos no utilizados efímeras durante una recolección en segundo plano. Esto significa que la recolección de elementos no utilizados en segundo plano puede quitar objetos muertos de las generaciones efímeras y también expandir el montón si es preciso durante una recolección de elementos no utilizados en la generación 1.

La recolección de elementos no utilizados en segundo plano no está disponible actualmente para la recolección de elementos no utilizados de servidor.

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Vea también

Conceptos

recolección de elementos no utilizados